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磁性材料测量——铁磁材料的磁化过程

发布时间:2019-08-02 12:49:04      发布人:上海圣通  浏览量:

1. 磁畴结构

        铁磁材料在微观领域可自发磁化,形成微小的磁偶极子。此外,一个典型多晶材料是由许多晶体构成的。每个微晶有一个特有易磁化方向,这些晶体排列是随机的,因此材料由大量随机排列的磁极构成。但是,即使在技术上让所有微晶在一个方向上排列(也可以说保证良好的纹理),整个磁体由于畴机构的存在也可以进行退磁。

        局部磁化状态取决于许多因素,如晶粒结构、晶粒尺寸、存在的杂质和局部应力,而更重要的是局部磁能量的平衡。局部磁能量可以包含多个部分,例如:

1)静磁能:退磁磁场的相应能量。

2)磁晶能:各向异性晶体相应能量。

3)交换能:相邻磁偶极矩间相互交换的能量。

4)磁致弹性能:磁致伸缩效应的能量。

5)畴壁能:相邻电子自旋交互存在的能量。

        磁性材料自发产生磁化方向相同的小区域——确保自由能最小的磁域。图 1 给出了形成畴结构的过程——每个后续区域呈现低能量状态,最后一个(最低静磁能)小区域实际上没有磁通泄漏,磁化强度平均值为零,所有的磁场能量都包含在材料中。真正的磁性材料,由于晶粒边界、杂质、机械缺陷等影响,磁畴结构非常复杂。

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  畴壁(DW)隔开磁化方向相反的任何畴(见图 1.2)。这样的畴壁相对较薄(小于 10 μm),而且在这样小的体积内,基本磁偶极子反向排列。磁畴和畴壁的存在,对磁滞回线和磁化曲线表示的磁化过程有显著的影响。

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2. 磁化曲线

 磁化曲线代表极化强度 J(或磁感应强度 B)和磁场强度 H 之间的关系。它包含给定磁性材料的基本信息,通常可在材料目录中查出。

 图 2.1 给出一个典型的磁化曲线,磁化过程可分成几个部分,从材料完全退磁状态开始,当有外加的小磁场作用时,磁畴自发从最接近外磁场方向开始磁化,逐渐消耗在其他畴区域。对于一个小磁场,这个过程是可逆的,如果移去磁场,材料将回到初始状态而没有磁滞。

        下一部分磁化曲线以最大磁导率为特征。在本部分中,畴壁运动是不可逆的,如果我们移去磁场,由于畴壁的新位置,材料仍然被部分磁化,即出现磁滞效应。

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个别畴壁的运动位移是可检测的,从一个固定位置“跳”到另一外置,畴壁的位移是不连续的。这种不规则的磁化,可由缠绕在磁化材料上线圈的脉冲电压产生。这种现象叫做“巴克豪森效应”。注意与畴壁运动有关的不连续变化量,在图 2.1 中这部分曲线放大后是不光滑的。巴克豪森噪声很大程度取决于微观结构和机械压力,因此,它通常用于材料评价和无损检测。

当进一步增加磁场(高于拐点),畴壁运动过程消失了,而且磁畴排列旋转到与磁化方向一致——沿着磁场的方向强制磁化。随着磁场强度的增大,极化值达到饱和极化强度 Js 附近,然后随磁场变化就很小了。

原始磁化曲线可以通过测量由直流磁场变化引起的磁感应强度变化获得(退磁后的开始状态)。实际上更常见更简单的是使样品在交变磁场磁化,磁化曲线是磁滞回线端点的连线(见下一节)。通过交流励磁确定的磁化曲线,磁场强度和磁感应强度都可以是非正弦的。因此,关系式 B = f (H) 通常决定于 B、H 的有效值(或者其平均值)。

 

3. 磁滞回线

磁滞是所有铁磁材料的一个实际特征——通常是象征磁性的一个代名词。典型的磁滞回线如图 3.1 所示。

从退磁状态开始,第一个路径是类似于原始磁化曲线0和1之间的一部分。但是,如果开始减小磁场强度,则会沿路径1-2返回,这是由于畴壁位置不可逆转引起磁化曲线的上升。因此,回到磁场强度为零的位置2,材料依然被磁化且该磁化成为剩磁感应强度Br(简称剩磁)。

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 继续施加相反方向的磁场,再次获得零值至位置 3,这个磁测被称为矫顽磁场(矫顽力)Hc。矫顽力是软磁材料磁化时一个非常重要的参数,因为磁损耗取决于磁滞回线。很明显,矫顽力越小的功率损耗越小,表 3.1 收集了一些典型软磁材料磁滞回线的参数。


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       其他磁滞参数来自硬磁材料(永磁)。在这种情况下,剩磁感应强度和矫顽力应尽可能高,因为参数(BH)max 代表存储磁性的能量(同样代表与其他永磁的吸引力),表 3.2 收集了各种典型永磁材料磁滞回线的参数。



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  到达磁滞回线的第 3 点后,可以在负方向上继续增加磁场直到反向端点——接近负饱和度 Bs(第 4 点)。接下来,如果我们继续研究磁场和磁感应强度(从正值和负值)的变化,将回不到起始点 0,但可在点 1 接近闭合环路。如果用交变正弦磁场来磁化材料,也会形成闭环的环路(交变磁场每个周期将对应于围绕环路的一个完整过程)。磁滞回线的不同由于磁化过程中峰值的不同——通过改变这个峰值,即可以获得一簇磁滞回线。通过连接这些回线的端点,曲线很接近延伸的原始磁化曲线。

  如果在磁滞回线任意点的磁化场方向逆转,回线不遵循相同的轮廓线,但形成了一个子磁滞回线的支线。对于软磁材料,磁滞回线 B(H) 和 J(H) 几乎是相同的,而硬磁材料由于更高的磁场强度值,两者会出现显著的差异。


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